Μελέτη Παραμενουσών Τάσεων και Χρονοεξαρτημένων Μηχανικών Ιδιοτήτων Κραμάτων Αλουμινίου

Abstract

Tο αντικείμενο της μεταπτυχιακής εργασίας αφορά τη μελέτη παραμενουσών τάσεων κραμάτων Al και του φαινομένου του ερπυσμού, με τη μέθοδο της νανοσκληρομέτρησης. Η νανοσκληρομέτρηση, ένα εργαλείο χαρακτηρισμού δίνει τη δυνατότητα μέτρησης μηχανικών ιδιοτήτων σε κλίμακες εξαιρετικής τεχνολογικής σημασίας που προσεγγίζουν ακόμη και μερικά νανόμετρα (nm). Η νανοσκληρομέτρηση εντάσσεται στα προβλήματα της μηχανικής των επαφών στη νανοκλίμακα. Σε αντίθεση με τις συμβατικές δοκιμές, στις οποίες η παραμένουσα επιφάνεια προσδιορίζεται από μια άμεση μέτρηση των διαστάσεων της που άφησε στο δείγμα η αφαίρεση του φορτίου, η επιφάνεια επαφής καθορίζεται από τη μέτρηση του φορτίου (N) και του βάθους διείσδυσης (nm) στην επιφάνεια του δείγματος, συνεχώς. Κατά τα πειράματα νανοσκληρομέτρησης μέσω της μελέτης της καμπύλης φόρτισης-αποφόρτισης προσδιορίζεται η σκληρότητα, το μέτρο ελαστικότητας, το όριο διαρροής τοπικά και η έναρξη της πλαστικότητας των υλικών στη μίκρο/νανο-κλίμακα. Ο προσδιορισμός του πεδίου των τάσεων σε μια περιοχή επαφής μεταξύ δυο ελαστοπλαστικών υλικών είναι ένα κλασσικό πεδίο της μηχανικής των επαφών το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθότι συνδέεται με την αντοχή ενός υλικού. Παράλληλα, η σχέση του πεδίου των τάσεων γύρω από την επιφάνεια επαφής, για παράδειγμα με τη δυσθραυστότητα του υλικού, τη διάδοση ρωγμών ιδιαίτερα για ψαθυρά υλικά, την αστοχία λεπτών υμενίων και συνθέτων μηχανικών συστημάτων κάνει ιδιαίτερα σημαντική την ανάπτυξη μεθόδων προσδιορισμού του πεδίου των τάσεων. Ο υπολογισμός των τάσεων σε πλήρως ελαστικές σκληρομετρήσεις είναι δυνατός σε αναλυτική μορφή εν αντιθέσει με τις ελαστό-πλαστικές που είναι και οι πιο ευρέως διαδεδομένες στην πράξη. Στη μηχανική των επαφών εντάσσονται προβλήματα όπως η σημειακή φόρτιση, η κατανεμημένη φόρτιση, εφαπτομενική και κάθετη ημιχώρου, υπό την παραδοχή της επίπεδης παραμόρφωσης. Οι πρώτες εργασίες πάνω στη μηχανική των επαφών στο χώρο οφείλονται στους Hertz και Boussinesq. O Hertz θεώρησε την επαφή δύο ελαστικών σωμάτων, που έχουν σχήμα επιφανειών δευτέρου βαθμού (ελλειπτικούς κυλίνδρους και ελλειπτικά παραβολοειδή). Ο Boussinesq θεώρησε το πρόβλημα της επαφής ενός άκαμπτου εντυπωτή με κυκλική βάση με έναν ελαστικό ημίχωρο. Στη παρούσα εργασία μέσω των συναρτήσεων δυναμικού των Boussinesq-Cerruti μελετάται και το γενικό πρόβλημα της φόρτισης ημιχώρου χωρίς την παραδοχή της επίπεδης παραμόρφωσης. Με τη χρήση κατάλληλων συναρτήσεων κατανομής τάσης που προσομοιάζουν τη χρήση πυραμιδικού ή κωνικού εντυπωτή και με βάση τη θεωρία δυναμικού εξάγεται η εξίσωση που συνδέει την ακαμψία ενός υλικού (Stiffness) με την καμπύλη φόρτισης-αποφόρτισης κατά τη νανοσκληρομέτρηση. H εξίσωση αυτή αποτελεί και τη βάση για τη μέθοδο των Oliver και Pharr, την πλέον διαδεδομένη και αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα για την εξαγωγή νανομηχανικών ιδιοτήτων των υλικών. Περνώντας από το αναλυτικό στο πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται η τεχνική της νανοσκληρομέτρησης και οι συγκεκριμένες συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη των παραμενουσών τάσεων συγκολλημένων κραμάτων αλουμινίου (AA6082-T6, AA5083-H111) και το φαινόμενο του ερπυσμού στο κράμα (AA6082-T6). Παρουσιάζεται μια ανασκόπηση των τεχνικών μέτρησης παραμενουσών τάσεων και των βασικών μοντέλων στη νανοσκληρομέτρηση με αιχμηρό αλλά και σφαιρικό εντυπωτή. Για την εξαγωγή των παραμενουσών τάσεων χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα των Suresh και Giannakopoulos και το μοντέλο των Lee et al.. H αστοχία των μοντέλων να υπολογίσουν με ακρίβεια τις παραμένουσες τάσεις οφείλεται στην πολυπλοκότητα της κατανομής των τάσεων, στις παραδοχές των μοντέλων και το φαινόμενο μεγέθους στη σκληρότητα που έχει ως αποτέλεσμα τον υπολογισμό υψηλών παραμενουσών τάσεων στην επιφάνεια της συγκόλλησης, πάνω από το όριο διαρροής. Στα περαματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνεται η σημασία της ταχύτητας διάδοσης των διαταραχών και της σχέσης της με το ρυθμό φόρτισης.

In this thesis, residual stress and creep mechanism of aluminum aloys is studied by nanoindentation. Indentation hardness has become the most usefull local mechanical test. As time has passed the scales of deformation produced by indentation have become progressively smaller and it is now possible to assess the mechanical responce of volumes of materials with nanometre dimensions. Nanoindentation is a problem of contact mechanics at nanoscale. In contrast to the conventional indentation testing, in which the contact area is determined from a direct measurement of the dimensions of the residual impressions left in the sample surface upon the removal of load, the contact area in the nanoindentation test is determined by measuring the load (μN) and the penetration depth (nm) into the sample surface, continuously. Nanoindentation is used to evaluate the hardness, elastic modulus, local yielding (failure of elasticity), and local plasticity of materials in the micro- nano- scale. The determination of the stress distribution around a contact between two elastoplastic bodies is a classic contact mechanics problem, which is important since it is associated with the strength of a material. Also, stress distribution around a contact during nanoindentation is connected withλ material's toughness, crack propagation for brittle materials, failure of thin films and composite mechanical systems. Although the stress fields around purely elastic indentations can be described in closed form the indentation problem is generally elastoplastic and forms a contact-induced plastic deformation zone. In engineering contacts included such problems as point loading, distributed loading, tangential and vertical half-spaces, under the assumption of plane strain. Initial work on the mechanics of contacts in the area is due to Hertz and Boussinesq. Hertz considered the contact of two elastic bodies that have shaped second degree surfaces (elliptical cylinders and elliptical parabolic). Boussinesq considered the problem of the contact of a circular rigid indenter with an elastic half-space. In the present work through Boussinesq-Cerruti potential functions and the general problem of loading half-spaces without the assumption of plane strain is studied. Using appropriate voltage distribution functions similar using pyramidal or conical and embossing on the theory derived potential equation linking the stiffness of a material (Stiffness $S$) with the charging-discharge curve in nanoindentation. This equation is the basis for the method of Oliver and Pharr, the most widespread and accepted by the scientific community for exporting nanomechanical properties of materials. In the experimental part of this paper the technique of nanoindentation and specific conditions used to study the residual stresses of welded aluminum alloys AA6082-T6, AA5083-H111 and the phenomenon creep of the alloy AA6082-T6 is presented. Presents an overview of techniques for measuring residual stresses and the basic models in nanoindentation with sharp and spherical tip. For the extraction of residual stresses models of Suresh-Giannakopoulos and model of Lee et al. are used. These models fail to accurately calculate the residual stresses due to the complexity of the stress distribution in model assumptions and the apparent size in hardness resulting in the calculation of high residual stresses in the weld surface, above the yield point. In experimental results the importance of the speed of propagation of dislocations and its relationship with the loading rate is confirmed.